[发明专利]纵向增强体土石坝竣工期下拉应力及下拉荷载的计算方法

说明书

本发明公开了一种纵向增强体土石坝竣工期下拉应力及下拉荷载的计算方法，涉及水利工程领域。本发明针对土石坝在竣工期的变形特征，提出了一种计算下拉应力和下拉荷载的方法，具体是：纵向增强体土石坝竣工期下拉应力及下拉荷载的计算方法，考虑堆石坝体的变形与增强体心墙变形的较大差异，按照结构力学的方法，研究了堆石与墙体界面由于差异沉降引起的堆石对墙体向下的拖曳作用亦称下拉作用，提出了增强体在竣工期下拉应力和下拉荷载的计算方法，给出了计算公式的推导过程，介绍了公式中参数的选择，并以四川省通江县方田坝水库扩建为增强体心墙土石坝为例，展示了增强体心墙作为结构体的设计与计算过程。本发明适用于纵向增强体土石坝的设计。

技术领域

本发明涉及水利工程领域，具体是一种纵向增强体土石坝在竣工期，上下游的堆石料与增强体刚性心墙的两个接触界面的受力分析计算方法。

背景技术

土石坝在设计和施工建造方面，应满足两大基本技术准则，一是稳定，就是保证坝体安全可靠，不会因滑坡失称稳而产生事故；二是防渗，主要是能够蓄住水成为水库并保证不会因为渗漏而产生溃坝灾害，防渗体是土石坝的关键所在。

土石坝经历漫长的发展演变历程，主要就是围绕上述稳定与防渗两个方面而展开，其中防渗最为重要。从防渗材料看，最初的土石坝都是利用自然界广布的土料等柔性材料进行防渗的，到了近代一些相对柔性或刚性的材料加入到防渗材料之中，如土石坝中的沥青混凝土心墙属于相对柔性的防渗材料，又如土石坝中的混凝土或钢筋混凝土心墙就是刚性的防渗材料，随着社会经济的发展与进步，相信应该有其它种类的防渗材料用于土石坝的建设，如聚乙烯类材料等。从防渗型式看，一是有全断面防渗型式，例如均质土坝；二是有内部防渗型式，例如心墙、斜墙或斜心墙；三是有外部防渗型式，例如混凝土防渗面板、土工膜防渗面层等。正如土质心墙土石坝是柔性防渗材料和内部防渗型式的组合、面板堆石坝是刚性防渗材料与外部防渗型式的组合那样，纵向增强体土石坝就是刚性防渗材料与内部防渗型式的组合。

现有土石坝通常采用柔性防渗材料+内部防渗型式的模式，是建造在地球上最多的水工坝型，存在自身发展所不能克服的缺点和不足。首先，这种“柔性”的土石坝安全运行性能较“刚性”重力坝为差，存在较高的安全运行风险。溃决大多发生于中低坝，主要原因是洪水漫过坝顶导致的溃决。从机理上讲，土石坝漫顶溃决是遭遇超标洪水或泄水设施出了故障不能有效泄洪，洪水从坝顶翻水漫顶冲刷下游坝坡，使得由外部强力压密的散粒体组成的下游坝体被水流逐步冲刷崩解而出现的垮塌甚至溃决的过程。常规土石坝存在的安全运行风险，其主要原因首先在于土石坝在蓄水初期，由于堆石坝体的组成材料为岩土体及其压密体存在遇水湿化变形的特点，即土石坝体在水的饱和浸润下，具有强度软化、变形增加的特征，使得坝体较干燥状态有了新的湿化变形，这对大坝安全运行造成影响。其次，水库长期运行，土石坝体也存在强度降低、变形增加的趋势，这是因湿化引起的流变所致。

实际上，堆石体在刚性接触面的变形(包括湿化)，较刚性体本身的变形大很多，那么对刚性体而言，它增加了墙体遭受堆石向下变形的拖曳，故常称之为“下拉荷载”，这是对墙体有损害的副作用，是一种负担。常规水库大坝心墙部位出现的水力劈裂、横向裂缝、漏水、渗透变形等病害就是不均变形产生的下拉应力引起的，但这种副作用究竟有多大？尚需深入研究，现有方案没有这方面的现成答案。因此，计算下拉荷载对增强体心墙的下拉作用是复核与保障增强体安全运行的关键技术所在。

纵向增强体土石坝的典型横断面如图1所示，纵向增强体土石坝以常规土石坝为依托，在其内部“插入”集防渗与受力为一体的刚性结构体，即纵向的增强体1，增强体1的底部与坝基固端联接的一种新坝型。增强体是由混凝土刚性材料建造而成，具有五种作用，①防渗体作用，有效降低浸润线减小渗漏；②结构体作用之一，承受应力或拉应力作用，能够提高增强体的稳定性；③结构体作用之二，抵抗变形，提高应力与变形能力；④结构体作用之三，刚性的增强体在遭遇洪水漫顶时能够保持坝体不产生溃坝，有效降低或杜绝溃坝风险；⑤对病险土石坝的除险加固提出了较为彻底的解决方案。